UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA
ENGENHARIA MECÂNICA
KAREN ALDICLÉIA DA SILVA
DESENVOLVIMENTO DE UMA METODOLOGIA DE ANÁLISE DE
UMA PLANTA DE COGERAÇÃO DE PEQUENA ESCALA COM
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PONTA GROSSA 2013
KAREN ALDICLÉIA DA SILVA
DESENVOLVIMENTO DE UMA METODOLOGIA DE ANÁLISE DE
UMA PLANTA DE COGERAÇÃO DE PEQUENA ESCALA COM
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do título Bacharel em Engenharia Mecânica da Coordenação de Mecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Dr. Jhon Jairo Ramirez Behainne
Co-orientador: Prof. Dr. Paulo Henrique Dias dos Santos
PONTA GROSSA 2013
TERMO DE APROVAÇÃO
DESENVOLVIMENTO DE UMA METODOLOGIA DE ANÁLISE DE UMA PLANTA DE COGERAÇÃO DE PEQUENA ESCALA COM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO
POR ABSORÇÃO por
KAREN ALDICLÉIA DA SILVA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado em 6 de setembro de 2013 como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharela em Engenharia Mecânica. A candidata foi arguida pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
________________________________________ Prof. Dr. Jhon Jairo Ramirez Behainne
Orientador
________________________________________ Prof. Dr. Thiago Antonini Alves
Membro Titular
________________________________________ Prof. Me. Gilberto Zammar
Membro Titular
- O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso - Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Ponta Grossa
Diretoria de Graduação e Educação Profissional Departamento Acadêmico de Mecânica
Bacharelado em Engenharia Mecânica
______________________________ ______________________________ Prof. Dr. Luiz Eduardo Melo Lima Prof. Dr. Thiago Antonini Alves
Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso
Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica
Dedico este trabalho aos meus pais, Sebastião e Vilma.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por esta conquista, pois esteve comigo todos os dias, foi meu socorro em dias de lutas, me deu discernimento nas minhas indecisões e colocou pessoas especiais em todos os momentos que precisei.
Agradeço a minha família pelo apoio até aqui concedido, por sempre acreditarem em mim e pelo esforço feito para tornar este sonho uma realidade.
Agradeço ao meu professor e co-orientador Paulo Henrique Dias dos Santos por sua sabedoria como mestre, que me ensinou e aconselhou em todos os momentos deste trabalho.
Agradeço ao professor Jhon Jairo Ramirez Behainne pela sua orientação ao final deste trabalho e por despertar meu interesse na área térmica da Engenharia Mecânica.
Agradeço ao Erick Marcondes por estar ao meu lado durante este trabalho, por me ajudar e sempre me apoiar. Também aos meus amigos pelos momentos de descontração e conselhos não apenas nessa etapa do projeto, mas durante todos os anos do curso.
Por fim, agradeço a todos os professores e a todas as pessoas da UTFPR campus Ponta Grossa que de alguma forma auxiliaram na conclusão deste trabalho e no meu desenvolvimento como profissional durante o curso.
“Mt 7:7 - Pois todo que pede recebe; o que busca encontra; e, a quem bate, abrir-se-á.”
RESUMO
SILVA, Karen Aldicléia. Desenvolvimento de uma metodologia de análise de uma
planta de cogeração de pequena escala com sistema de refrigeração por absorção. 2013. 71. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia
Mecânica - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa, 2013.
A eficiência energética de sistemas térmicos tem sido um dos principais tópicos de discussão sobre a preservação dos recursos naturais e sobre a redução de custos dos processos envolvidos nesses sistemas. Dentro do contexto de preservação ambiental, os sistemas de cogeração surgem como uma alternativa tecnológica para geração de energia elétrica com melhor aproveitamento do potencial energético do combustível. Esses sistemas tem conquistado espaço não apenas em pesquisas acadêmicas, mas também em industrias e, até mesmo, no meio urbano. Com a finalidade de auxiliar o aprendizado nas engenharias em relação a esse tema, foi desenvolvido uma metodologia para análise termodinâmica de sistemas de cogeração. A planta de cogeração foi analisada visando à avaliação do desempenho e da viabilidade de implantação deste sistema utilizando como combustível o gás natural. O sistema de cogeração em estudo, que pode ser empregado em diversas aplicações industriais e comerciais, é composto por: um motor de combustão interna, um trocador de calor intermediário (que recupera a energia dos gases de exaustão provenientes da queima do combustível) e um sistema de refrigeração por absorção de simples efeito que utiliza o par amônia-água. Estes equipamentos foram analisados utilizando as leis da termodinâmica. O sistema de equações resultantes da modelagem termodinâmica foi resolvido utilizando a plataforma computacional
EES (Engineering Equation Solver). Os resultados mostraram que com o sistema de
cogeração proposto obteve um aumento de 11% no aproveitamento energético quando comparado com o motor de combustão operando isolado. Além disso foi possível afirmar que o combustível (gás natural) atendeu as exigências energéticas para a alimentação do gerador de vapor do sistema de absorção (amônia-água de simples efeito). A metodologia apresentada é didática e pode ser útil com o uso de outros combustíveis.
ABSTRACT
SILVA, Karen Aldicléia. Development of a methodology of analysis of a small
scale cogeneration plant with absorption refrigeration system. 2013. 71.
Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica - Federal Technology University - Parana. Ponta Grossa, 2013.
The energy efficiency of thermal systems has been a major topic of discussion on the preservation of natural resources and reducing costs of processes involved in these systems. Within the context of environmental preservation, cogeneration systems emerge as an alternative technology for power generation would be the cogeneration systems, which provide satisfactory performance due to better using of the energy fuel potential. These systems has won your place not only in academic research, but also in industries and even in urban areas. In order to assist in engineering learning regarding this topic was developed of a methodology for thermodynamic analysis of cogeneration systems during graduation in engineering. The cogeneration plant was analyzed in order to evaluate its performance and the feasibility of its implementation using as fuels natural gas. The cogeneration system under study, which can be used in various industrial and commercial applications, comprises: a Internal combustion engine, an intermediate heat exchanger (which recovers energy from the exhaust gases from the fuel combustion) and a single effect ammonia-water absorption refrigeration system. These devices were analyzed using the thermodynamics laws. The equations system resulting from the thermodynamic model was solved using the computational platform ESS (Engineering Equation Solver). The results showed that with cogeneration system achieved a 11% increase in the energy utilization as compared with combustion engine operating alone. Furthermore it was possible to say that the fuel (natural gas) met the energy requirements to power the steam generator of the absorption system (ammonia-water single effect). The methodology presented is didactic and may also assist with the use other fuels.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Sistema de cogeração ... 19
Figura 2: Representação esquemática da definição de cogeração. ... 20
Figura 3: Comparação da eficiência entre cogeração e produção separada de eletricidade e calor. ... 22
Figura 4: Desenho esquemático de um Ciclo Topping ... 23
Figura 5: Desenho esquemático de um Ciclo Bottoming ... 24
Figura 6: Intervalos de temperatura ciclos Topping e ciclos Bottoming ... 24
Figura 7: Métodos para transformar vapor de baixa pressão em vapor de alta pressão em um sistema de refrigeração por absorção. ... 29
Figura 8: Unidade básica de absorção ... 30
Figura 9: Figura esquemática de um ciclo básico de refrigeração por absorção amônia-água ... 31
Figura 10 : Diagrama esquemático do sistema de cogeração para a modelagem termodinâmica do sistema de refrigeração por absorção, trocador de calor e do motor de combustão interna. ... 35
Figura 11: Sistema de refrigeração por absorção amônia-água... 37
Figura 12: Volume de controle para o absorvedor ... 38
Figura 13: Volume de controle para o gerador ... 38
Figura 14: Volume de controle para o retificador ... 39
Figura 15: Volume de controle para o condensador ... 40
Figura 16: Volume de controle para o evaporador ... 40
Figura 17: Volume de controle para as válvulas de expansão da solução (a) ... 41
Figura 18: Volume de controle para a bomba ... 42
Figura 19: Volume de controle para o trocador de calor ... 42
Figura 20: Ciclo Otto ideal ... 44
Figura 21: Diagrama do Ciclo Otto ... 44
Figura 22: Diagrama de Sankey ... 46
Figura 23: Volume de controle para o trocador de calor intermediário dos gases de exaustão ... 49
Figura 24: Vazões mássicas do gás natural. ... 54
Figura 25: Potência do motor acoplado ao sistema de absorção em função da rotação do motor ... 55
Figura 26: Capacidade de refrigeração do sistema de absorção em função da rotação do motor ... 55
Figura 27: Eficiência do motor e do sistema de cogeração em função da rotação do motor ... 56
Figura 28: Eficiência global em relação a eficiência do trocador de calor dos gases de exaustão. ... 58
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Composição e propriedades do gás natural no Paraná... 32
Tabela 2: Composição e propriedades típicas do gás natural no Brasil ... 47
Tabela 3: Dados de entrada para as simulações ... 51
Tabela 4: Parâmetros do motor. ... 52
Tabela 5: Resultados do balanço estequiométrico para o gás natural ... 52 Tabela 6: Resultados obtidos nas simulações utilizando o combustível gás natural . 53
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolos gerais
Símbolos Gregos
g Aceleração da gravidade (m/s²)
z Altura (m)
L Deslocamento ou curso do pistão (m)
d diâmetro do cilindro (m)
h Entalpia (J/Kg)
M Massa molecular (kg/kmol)
N Número de cilindros do motor
PCI Poder calorífico inferior (kJ/Nm³)
r Razão de compressão
k Razão entre os calores específicos (cp/cv)
Rot Rotação do motor
Q Taxa líquida de transferência de energia por calor (W) W Taxa líquida de transferência de energia por trabalho (W)
T Temperatura (K ou ºC)
m Vazão mássica na entrada (kg/s)
V Velocidade (m/s)
x Concentração
0
f
h Entalpia de formação (kJ/kmol)
AC Razão mássica de ar-combustível (kg de ar/kg de combustível)
AC Razão molar de ar-combustível (mols de ar/mols de combustível)
n Número de mols Somatório Diferença u Volume específico (m³/kg) h Rendimento r Densidade (kg/m³)
Subescrito Siglas f Coeficiente de excesso ent Entrada sai Saída v.c. Volume de controle p Produto r Reagente ar Ar comb Combustível int Interno mist Mistura desl Deslocamento vol Volumétrico Abs Absorvedor
Ger Gerador de vapor de amônia Ret Retificador
Cond Condensador Evap Evaporador
Bom Bomba
Troc Trocador de calor glob Global
mot Motor
evap Evaporação
MCI Motor de Combustão Interna
EES Engineering Equation Solver
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica PURPA Public Utilities Regulatory Policy Act
LEED Leadership in Energy and Environmental Design
MAE Mercado Atacadista de Energia
BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social COP Coeficiente de Performance
GLS Gás Liquefeito do Petróleo COMPAGAS Companhia Paranaense de Gás COPEL Companhia Paranaense de Energia
SUMÁRIO 1INTRODUÇÃO ...14 1.1 PROBLEMA ...16 1.2 JUSTIFICATIVA ...16 1.3 OBJETIVOS ...17 1.3.1Objetivo Geral ...17 1.3.2Objetivos Específicos ...18 1.4 METODOLOGIA ...18 2REFERENCIAL TEÓRICO ...20 2.1 ESTADO DA ARTE ...20
2.2 ASPECTOS BÁSICOS DA COGERAÇÃO ...21
2.3 REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO ...26
2.3.1Aspectos básicos dos ciclos de refrigeração por absorção ...28
2.4 GÁS NATURAL ...31
3MODELAGEM TERMODINÂMICA ...34
3.1 MODELAGEM DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO DE AMÔNIA-ÁGUA ...36
3.2 MODELAGEM DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA ...43
3.3 MODELAGEM DO TROCADOR DE CALOR INTERMEDIÁRIO ...48
3.4 EFICIÊNCIA DA PLANTA DE COGERAÇÃO ...49
4RESULTADOS E DISCUSSÃO ...51
5CONCLUSÃO ...59
REFERÊNCIAS ...61
1 INTRODUÇÃO
A eficiência energética de sistemas térmicos tem sido um dos principais tópicos em discussão sobre a preservação dos recursos naturais e sobre a redução de custos dos processos envolvidos nesses sistemas. Baseando-se em estimativas da redução das fontes de energias em médio e longo prazo, é de suma importância que se desenvolvam processos e/ou equipamentos mais eficientes do ponto de vista energético. A preservação do ambiente deve ser também considerada nesses estudos de otimização energética.
Segundo Santos (2005), a busca por novas tecnologias para a geração de energia colabora para o avanço nos estudos de otimização energética, o qual engloba muito mais que a simples eliminação do desperdício, mas envolve desde a melhoria no funcionamento dos equipamentos até a exploração de formas alternativas.
Dentro desse contexto de preservação ambiental e eficiência energética, uma alternativa tecnológica para a geração de energia elétrica são os sistemas de cogeração, que apresentam desempenho satisfatório devido ao melhor aproveitamento do potencial energético do combustível. Esses sistemas têm como objetivo o aproveitamento de fontes de calor que não são utilizadas e que apresentam potencial para economia de energia térmica.
Os sistemas de cogeração mais viáveis economicamente são compostos por: (i) um sistema de geração, que utiliza um combustível para a geração de energia elétrica ou trabalho; (ii) um sistema de refrigeração por absorção ou um sistema de aquecimento de água, que utiliza os gases de exaustão do sistema de geração como fonte térmica. Os principais sistemas de geração de energia elétrica utilizados são:
Ciclo Rankine; Ciclo Brayton; Ciclo Diesel; Ciclo Otto.
Neste projeto escolheu-se um Motor de Combustão Interna (MCI) operando com Ciclo Otto, visto que são aplicados com maior frequência em plantas pequenas, como é o caso da planta de cogeração aqui estudada. Outra característica que justifica a escolha dos MCI, é que neles o aproveitamento energético é gerado pelos
gases de escape, ou também nos fluxos de resfriamento e lubrificação. Segundo Sánchez (2010) (apud OLIVIA 1994), os MCI transformam em eletricidade até 40% da energia que entra neles e recupera até 75% do calor sensível dos gases de exaustão, podendo chegar a um rendimento global do sistema de cogeração de 64%.
Outro elemento importante em uma planta de cogeração é o trocador de calor, pois este proporciona a transferência de energia entre os gases de exaustão do sistema de geração e o sistema de refrigeração por absorção. Pode-se existir sistemas que não possuam trocadores de calor, sendo assim os gases de exaustão do sistema de geração escoam de forma direta através do gerador de vapor do sistema de absorção. Porém, para um melhor aproveitamento energético do calor liberado nos gases de exaustão é inserido no sistema de cogeração um trocador de calor intermediário, onde os gases são recuperados pelo trocador de calor e liberados para o sistema de refrigeração por absorção.
Alguns pesquisadores realizaram simulações de sistemas de cogeração não levando em conta esse trocador de calor (SANTOS, 2005; MARQUES, 2005; MARQUES et al, 2006), entretanto os trabalhos publicados por esses pesquisadores foram meramente teóricos. Rossa e Bazzo (2006, 2009) e Carvalho (2010), cujas linhas de pesquisas são de cunho teórico-experimental, também realizaram pesquisas sobre sistemas de cogeração e perceberam a necessidade da utilização de um trocador de calor intermediário que fizesse a ligação entre os gases de exaustão provenientes de uma micro-turbina e o sistema de refrigeração por absorção, que utiliza o par amônia-água como fluido de trabalho. Eles observaram ainda que quanto maior a eficiência desse trocador de calor intermediário, maior a eficiência obtida no sistema de cogeração.
Existem alguns modelos para análise de Sistemas de Cogeração, porém envolvem conhecimentos mais aprofundados, o que inviabiliza seu estudo em termos de cursos de graduação. Conhecendo a importância dos Sistemas de Cogeração, a proposta deste trabalho é viabilizar o entendimento desses sistemas a nível de Graduação. O sistema de cogeração aqui proposto é composto por um motor de combustão interna que utiliza gás natural como combustível, um trocador de calor intermediário (que recupera a energia dos gases de exaustão provenientes da queima do combustível) e um sistema de refrigeração por absorção de simples efeito que utiliza o par amônia-água.
Com a finalização da parte teórica e conceitos de cogeração, parte-se para a segunda etapa, que é a modelagem matemática, a fim de desenvolver o modelo teórico para análise de sistemas de cogeração de pequena escala utilizando inicialmente gás natural como combustível. Esse modelo servirá como ferramenta de projeto para esse tipo de sistema de cogeração, podendo ser estendido para outros combustíveis, como por exemplo o biogás.
Todos os equipamentos são analisados utilizando as leis da conservação da massa e da energia para volumes de controle em regime permanente, com propriedades constantes. O sistema de equações resultantes da modelagem termodinâmica é resolvido utilizando a plataforma computacional EES (Engineering
Equation Solver). Esta plataforma foi escolhida devido a sua ampla aplicabilidade
relacionada à resolução de problemas térmicos, pois dispõe de sub-rotinas para as propriedades térmicas e fluidodinâmicas de vários fluidos e sólidos.
1.1 PROBLEMA
Os sistemas de cogeração estão em pleno desenvolvimento e vem ganhando destaque em termos econômicos e de preservação do meio ambiente. A nível de graduação, de acordo com a literatura pesquisada, não existe uma metodologia acessível para análise de sistemas de cogeração, devido à complexidade da análise termodinâmica desses sistemas e também a falta de informações que tratam os sistemas de cogeração de energia com motor de combustão interna operando com gás natural.
1.2 JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento de uma metodologia de análise termodinâmica de sistemas de cogeração se justifica pela escassez de informações sobre o tema em livros didáticos de introdução à termodinâmica, tais como Princípios de Termodinâmica para Engenharia (MORAN; SHAPIRO, 2009) e Termodinâmica (ÇENGEL; BOLES, 2013). Esses livros didáticos abordam o tema de forma
superficial de maneira que a análise desses sistemas se torna complexo, gerando muitas dúvidas nos acadêmicos das engenharias em geral.
Além disso, a justificativa do desenvolvimento de tal metodologia de análise de sistemas de cogeração é reforçada por englobar dois temas principais: primeiro, a eficiência energética e, segundo, a redução de custos em processos que envolvem energia elétrica e que desperdiçam energia térmica. Pois apresentam muitas vantagens, tais como:
Possibilidade do aproveitamento da energia térmica dos gases de exaustão do motor de combustão interna que seria desperdiçada para o ambiente, com isso, aumentando a eficiência global do sistema;
Acionamento de sistema de refrigeração por absorção utilizando a energia térmica e não energia elétrica (mais nobre), reduzindo assim o custo de operação;
Incentivo à cogeração utilizando gás natural, que é considerado menos agressivo ao meio ambiente quando comparado aos outros combustíveis derivados do petróleo.
Visto que a eficiência energética e a redução de custos em processos têm se tornado foco de estudos cada vez mais constantes, tanto no meio acadêmico quanto em empresas e indústrias, é necessário estimular o interesse dos alunos, ainda acadêmicos, em relação aos benefícios descritos acima e também fazê-los compreender melhor os processos envolvidos nos sistemas de cogeração.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Propor uma metodologia para a análise termodinâmica do aproveitamento energético do gás natural em uma planta de cogeração de pequena escala com refrigeração por absorção e um motor de combustão interna. Pretende-se implementar esta metodologia na plataforma EES de maneira que esta seja utilizada como ferramenta de projetos para esse tipo de sistema de cogeração.
1.3.2 Objetivos Específicos
Definir os modelos matemáticos para a simulação da operação do motor de combustão interna utilizando ciclo de ar padrão Otto ideal, do sistema de refrigeração por absorção, do trocador de calor intermediário e do sistema global de cogeração;
Simular o sistema de cogeração para o gás natural no EES;
Analisar os rendimentos térmicos dos subsistemas que compõem o sistema de cogeração utilizando gás natural como combustível.
1.4 METODOLOGIA
Neste trabalho é apresentada uma metodologia para a análise termodinâmica do aproveitamento energético do gás natural utilizado como combustível em uma planta de cogeração de pequena escala. O sistema é composto por: um motor de combustão interna, um trocador de calor intermediário (que recupera a energia dos gases de exaustão provenientes da queima do combustível) e um sistema de refrigeração por absorção de simples efeito com amônia-água. O sistema de cogeração estudado está apresentado na figura 1.
A modelagem termodinâmica do sistema é feita mediante as equações da conservação da massa e da energia para volume de controle em regime permanente, com propriedades constantes. Este conjunto de equações será resolvido utilizando a plataforma computacional EES. Cada subsistema e seus componentes serão divididos em volumes de controles individuais, modelados e simulados seguindo a sequência: motor de combustão interna, sistema de refrigeração por absorção e trocador de calor intermediário.
As simulações serão feitas para o combustível gás natural, com a finalidade de analisar se o combustível atende as exigências energéticas para geração de energia elétrica e se a temperatura dos gases de exaustão do MCI atende as condições para alimentação do gerador de vapor do sistema de refrigeração por absorção escolhido. Será analisado ainda, o sistema de cogeração como um todo através da análise da eficiência energética.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 ESTADO DA ARTE
A cogeração é definida pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2006) como “processo operado numa instalação específica para fins da produção combinada das utilidades calor e energia mecânica, esta geralmente convertida total ou parcialmente em energia elétrica, a partir da energia disponibilizada por uma fonte primária”. Um desenho esquemático é apresentado na figura 2.
Figura 2: Representação esquemática da definição de cogeração.
Embora os sistemas de cogeração tenham surgido no início do século passado, foi somente depois da Segunda Guerra Mundial que apareceu um número significativo de sistemas de cogeração. Devido ao baixo custo dos combustíveis e abundância de combustíveis fosseis, os sistemas de cogeração não eram muito utilizados. Segundo Sánchez (2010), foi com a crise do petróleo no período de 1973 a 1980 e com a resistência na utilização de usinas nucleares para gerar energia elétrica, devido a questões de segurança e também ambiental, que os sistemas de cogeração ganharam espaço na geração de energia elétrica. O país destacado nestes sistemas foi os Estados Unidos.
Em 1978 foi publicado nos Estados Unidos o PURPA (Public Utilities
Regulatory Policy Act), no qual a seção 210 impunha às concessionárias a compra
de energia a preço não discriminatório, atendendo as necessidades energéticas de cogeradores ou de pequenos geradores (BALESTIERI, 2002). Dessa maneira, se justificou a abertura de novos horizontes na indústria de geração, pois abriu espaço para a competição em mercado aberto de energia elétrica, rompendo assim a estrutura integrada das concessionárias públicas. Porém, a medida que os anos passaram, se tornou cada vez mais fácil a utilização dos derivados do petróleo; o que antes possuía preços abusivos passou a ser mais plausível e presente na vida da maioria da população.
As técnicas de cogeração, embora existam, elas ainda são trocadas por meios mais convencionais (termoelétricas e hidrelétricas) de se produzir energia elétrica. Atualmente, sabendo da redução das fontes de energias em médio e longo prazo e das leis de preservação do ambiente, tem-se aumentado a frequência pela utilização e pelo desenvolvimento de processos e/ou equipamentos mais eficientes do ponto de vista energético e menos poluente. A cogeração está relacionada à diminuição do consumo de derivados do petróleo e à diminuição das emissões de gases poluentes. Portando, devido a esses dois fatores, tem crescido os estudos nesta área e na implementação de medidas que estimulem a sua aplicação.
No Brasil, ao longo dos anos, muitas regulamentações foram propostas permitindo um maior envolvimento da iniciativa privada no mercado de energia. Segundo Balestieri (2002), a cogeração terá condições favoráveis para seu pleno estabelecimento, sendo resultado de algumas iniciativas já realizadas, como a entrada do gás natural da Bolívia, a privatização dos serviços de energia em muitas concessionárias federais e estaduais, o programa nacional de incentivo à construção de termelétricas e o advento do Mercado Atacadista de Energia (MAE), posterior Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE).
Os benefícios da cogeração são positivos, tanto ao meio ambiente, como à indústria do ponto de vista financeiro, pois um mesmo combustível gera energia elétrica ou trabalho, dando possibilidades aos gases de combustão serem utilizados como fonte térmica de sistemas de refrigeração, como no caso da refrigeração por absorção. O Brasil se mostra mais atento a estes benefícios. Em julho de 2012, o Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) aprovou um financiamento de R$ 210,7 milhões para a construção de uma unidade de cogeração a vapor e de energia elétrica a partir do cavaco de eucalipto (BNDES, 2012).
2.2 ASPECTOS BÁSICOS DA COGERAÇÃO
A cogeração possui uma vasto potencial de aplicação, sendo uma tecnologia que pode ser utilizada tanto no setor industrial, quanto no setor terciário (aeroportos, hotéis e hipermercados). Ela ganhou espaço no mercado produtivo devido ao seu potencial de aproveitamento de energia da fonte primária.
Tomando como exemplo alguns sistemas térmicos (motores de combustão interna, usinas termoelétricas, microturbinas, geradores de energia elétrica, etc.), durante as suas operações, grandes quantidades de calor são rejeitados ao meio ambiente. Segundo Educogen (2001), a maior parte do calor rejeitado numa usina, por exemplo, pode ser recuperado e utilizado para cobrir as necessidades térmicas específicas de mesma, aumentando assim a eficiência da planta de 30-50% para 80-90%.
Uma comparação entre a cogeração e a produção separada de eletricidade e de calor, a partir do ponto de vista da eficiência, é dada na figura 3, com base em valores típicos de eficiências para a Primeira Lei da Termodinâmica.
Figura 3: Comparação da eficiência entre cogeração e produção separada de eletricidade e calor.
Fonte: Adaptado de EDUCOGEM (2001 p.8).
Os sistemas de cogeração podem ser classificados de acordo com a sua configuração de operação, sendo divididos em: Ciclos Bottoming e Ciclos Topping. A figura 4 representa um exemplo de Ciclos Topping, composta por uma turbina a gás e um ciclo de potência a vapor, onde um fluido à alta temperatura (gases de exaustão ou vapor) aciona a turbina para a produção de eletricidade, enquanto isso
um fluido à baixa temperatura é utilizado em processos térmicos ou no aquecimento/arrefecimento de espaços.
Figura 4: Desenho esquemático de um Ciclo Topping Fonte: Adaptado de Sánchez (2010 p. 109).
Já os Ciclos Bottoming, representado pela figura 5, são divididos em duas fases: na primeira fase é produzido calor a altas temperaturas para um determinado processo (por exemplo numa fundição, indústria vidreira ou cimenteira) e na segunda fase, após o primeiro processo, os gases de combustão são utilizados diretamente para acionar uma turbina a vapor, caso a pressão for adequada, ou indiretamente, para produzir vapor num recuperador de calor, o qual aciona posteriormente uma turbina a vapor (EDUCOGEN, 2001).
Figura 5: Desenho esquemático de um Ciclo Bottoming Fonte: Adaptado de Sánchez (2010 p. 109).
Além de apresentarem características distintas em seu funcionamento, bem como na sua estrutura, os Ciclos Topping e Bottoming, também se diferem nos intervalos de temperaturas utilizados. Na figura 6 estão representados os intervalos de temperatura entre os dois tipos de ciclo.
Figura 6: Intervalos de temperatura ciclos Topping e ciclos Bottoming Fonte: Adaptado de EDUCOGEM (2001 p. 12).
Uma característica muito difundida nos Ciclos Topping é a utilização de algumas máquinas térmicas, tais como turbinas a vapor ou a gás, e motores de combustão interna. Nota-se que há diferenças significativas na utilização de cada componente na planta e também na distribuição da estrutura física desta. Sendo assim, a escolha depende de muitos parâmetros, os quais estão relacionados a
aspectos da planta, demanda energética, combustíveis utilizados e valor dos combustíveis, entre outros. Os sistemas de cogeração mais conhecidos que utilizam os Ciclos Topping geralmente são compostos por:
Um sistema de geração de potência, que utiliza um combustível para a geração de energia elétrica ou trabalho;
Um sistema de refrigeração por absorção ou de aquecimento de água, que utiliza os gases de exaustão do sistema de geração como fonte térmica.
Os sistemas de refrigeração por absorção, também conhecidos por chillers de absorção, são aplicados ao sistema de cogeração com a finalidade do aproveitamento energético do calor dos gases de exaustão para a produção de frio para uma câmara de refrigeração ou para condicionamento de ar. Esses sistemas de cogeração podem, por exemplo, ser aplicados na prática em fazendas produtoras de leite. Neste caso, o combustível é queimado num gerador de energia elétrica que alimenta a fazenda, e o calor dos gases de exaustão, proveniente da queima do combustível, é transferido para o chiller de absorção, a fim de produzir frio para a câmara de refrigeração, que por sua vez, mantém o leite em condições apropriadas de temperatura.
Atualmente a busca por um estilo de vida sustentável, tem feito com que não apenas indústrias estejam de acordo com as certificações ambientais, mas também, moradias urbanas, as quais tem procurado essa sustentabilidade. Existe uma certificação internacional chamada Leadership in Energy and Environmental Design
(LEED), que diz respeito a um sistema internacional de certificação e orientação
ambiental para edificações, cujo objetivo é incentivar a transformação dos projetos, obra e operação das edificações, sempre com foco na sustentabilidade de suas atuações.
Andreos (2012), um estudo baseado em fatores para possuir a certificação
LEED mostra que, em um edifício implementando apenas o sistema de refrigeração
por absorção, pode-se obter 50% do pré-requisito para este processo de certificação. Porém, se implementar a cogeração, é possível alcançar 100% destes requisitos. A seguir, são apresentados por Andreos (2012) alguns pontos positivos que torna possível esta certificação:
Eliminação dos fluidos refrigerantes a base de HCFCs (hidroclorofluorcarbono);
Diminuição da demanda de energia elétrica proveniente da concessionária de fornecimento de energia elétrica local;
Deslocamento do consumo de ponta diversificando a matriz energética; Diminuição dos custos operacionais.
Os sistemas de cogeração podem ser utilizados em diversos setores, não apenas industrial ou comercial. Um exemplo disso foi o sistema de cogeração estudado de forma teórica e experimental por Tien et al (2007). Nele, a queima de combustível cogera força motriz para um barco e utiliza os gases de exaustão para a geração de vapor que, por sua vez, foi utilizado para produção de energia elétrica através do ciclo Rankine.
Alguns pesquisadores (ROSSA; BAZZO, 2006, 2009; CARVALHO, 2010), cuja linha de pesquisa é a análise teórica-experimental de sistemas de cogeração, afirmam ainda que existe a necessidade de se utilizar um trocador de calor intermediário fazendo uma ligação entre o sistema de geração e o sistema de refrigeração por absorção. Eles afirmam que, quanto maior for a eficiência desse trocador, maior será a eficiência do sistema de cogeração.
2.3 REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
O primeiro sistema de refrigeração por absorção foi criado nos Estados Unidos em 1860 pelo francês Ferdinand Carré (STOECKER; JONES, 1985). A queda na utilização de sistemas de refrigeração por absorção veio com o surgimento de sistemas de refrigeração por compressão a vapor, a partir de 1880 nos Estados Unidos da América. Moreira (2004), afirma que somente após a primeira guerra mundial, período em que o custo de energia aumentou significativamente, ocasionando a necessidade do aproveitamento de resíduos térmicos, é que os sistemas de refrigeração por absorção voltaram a ser utilizados em larga escala. Atualmente, a busca por outros meios que não utilizem a energia elétrica tem feito com que sistemas como o de refrigeração por absorção sejam atrativos.
Por possuírem maior Coeficiente de Desempenho (COP), os sistemas de refrigeração mais utilizados atualmente ainda são os de compressão de vapor que requerem energia elétrica, entretanto os de refrigeração por absorção, por utilizarem
energia térmica que seria desperdiçada, vêm sendo cada vez mais utilizados em processos de resfriamento.
As instalações dos sistemas de refrigeração por absorção se distinguem das instalações por compressão a vapor pela ausência da compressão mecânica dos gases. Nela, os gases são absorvidos por um líquido à pressão de evaporação e uma bomba eleva a pressão desta solução até a pressão de condensação. A energia gasta para o bombeamento da solução é em torno de 5 a 10% da energia gasta pelos compressores dos sistemas de refrigeração por compressão (SANTOS, 2011).
Embora os sistemas de refrigeração por compressão a vapor sejam mais aplicados como descritos acima, segundo Muehle (2003), os sistemas de refrigeração por absorção apresentam vantagens significativas em relação aos de compressão a vapor:
Consomem de 5 a 10% da energia elétrica de uma instalação com compressores;
Com a capacidade reduzida, o rendimento é constante, sendo que os compressores de grande porte têm baixo rendimento ao operar com capacidade reduzida;
A ausência de máquinas de grande porte reduz as manutenções, diminuindo assim o custo operacional.
Os sistemas de cogeração de pequena escala que utilizam sistemas de refrigeração por absorção para o processo de resfriamento e geradores de energia elétrica (microturbinas ou moto-geradores) têm sido investigados de forma teórica e experimental. Os resultados recentes dessas investigações demonstram a confiabilidade da operação dessas plantas e o alto desempenho global desses sistemas (MEDRANO et al, 2006; ROSSA e BAZZO, 2009).
Utilizando um sistema de refrigeração por absorção com a solução de água – brometo de lítio, Medrano et al (2006) desenvolveram um trabalho a fim de investigar o desempenho energético e exergético do Sistema Integrado de Energia (IES) em diferentes condições de operação. Os resultados obtidos mostraram que os sistema de cogeração com unidade de refrigeração por absorção apresentam maior confiabilidade em relação aos outros sistemas estudados sem a mesma.
Ainda mostrando a confiabilidade de sistemas de cogeração com refrigeração por absorção, Rossa e Bazzo (2009) realizaram uma modelagem
matemática para um sistema de cogeração de pequena escala. O sistema foi constituído por um chiller de absorção (amônia-água de simples efeito), um trocador de calor intermediário e uma microturbina cujo combustível era o gás natural. O trocador de calor intermediário tinha a função de transferir energia térmica dos gases de exaustão da microturbina para o gerador de vapor do chiller de absorção. Eles analisaram os dados obtidos de forma experimental, obtendo uma eficiência global para o sistema de cogeração de 42%. Os autores concluíram que houve um aumento de eficiência de 67% em relação à geração de energia elétrica utilizando apenas microturbinas.
2.3.1 Aspectos básicos dos ciclos de refrigeração por absorção
O ciclo de refrigeração por absorção é similar em alguns aspectos ao ciclo de compressão de vapor. Ambos operam com um condensador, uma válvula de expansão e um evaporador, a diferença entre eles está na maneira como é transformado o vapor de baixa pressão do evaporador em vapor de alta pressão entregue ao condensador (STOECKER; JONES, 1985). O sistema de compressão de vapor utiliza um compressor para este processo.
No sistema de refrigeração por absorção, primeiramente o vapor à baixa pressão é absorvido no absorvedor pela solução absorvente. Em seguida, a pressão da solução diluída é elevada por uma bomba e solução é então bombeada para o gerador de vapor. No gerador de vapor é transferido calor à solução, provocando o desprendimento do vapor à alta pressão.
O ciclo de compressão de vapor é um ciclo que opera a trabalho, devido a elevação da pressão depender do trabalho de um compressor. Já o sistema de absorção é considerado um ciclo que opera a calor, porque maior parte do custo de operação depende do fornecimento de calor que libera o vapor do da solução a alta pressão. A operação de compressão ocorre como descrito na figura 7.
Figura 7: Métodos para transformar vapor de baixa pressão em vapor de alta pressão em um sistema de refrigeração por absorção.
Fonte: Adaptado de Stoecker e Jones (1985 p. 362).
O fluido de trabalho de um sistema de refrigeração por absorção é uma solução binária constituída de refrigerante e absorvente. O desempenho de um sistema de refrigeração por absorção depende das propriedades químicas e termodinâmicas desse fluido. Muitas soluções são sugeridas na literatura, mas as mais comuns são amônia-água e água-brometo de lítio. Para sistemas onde a função é refrigerar câmaras frigoríficas a solução mais utilizada é amônia-água.
Os sistemas de refrigeração por absorção são caracterizados também, segundo Santos (2005), pelo número de vezes que a solução é aquecida para a produção de vapor a alta pressão. Sendo chamados de números de efeitos: simples, duplo e triplo efeito:
Simples efeito: usa o calor de entrada uma única vez;
Duplo efeito: usa o calor de entrada no primeiro gerador de vapor e o vapor que é gerado à alta pressão é reutilizado no segundo gerador de vapor;
Triplo efeito: usa o calor de entrada no primeiro gerador de vapor e o vapor gerado é reutilizado no segundo gerador de vapor e o vapor gerado neste segundo gerador é então reutilizado no terceiro gerador de vapor.
Na figura 8 é possível visualizar um sistema básico de refrigeração por absorção. O início do processo começa no gerador, o calor de uma fonte a alta temperatura entra no gerador, a solução absorvente e refrigerante é aquecida até que haja o desprendimento do vapor absorvido pela mistura no absorvedor. O vapor de refrigerante a pressão elevada segue para o condensador, onde perde calor para a atmosfera e será liquefeito. O líquido proveniente do condensador segue para uma
válvula de redutora de pressão, passando a assumir a pressão de baixa do ciclo. No evaporador o líquido refrigerante retira calor de um ambiente, gerando o resfriamento desejado no ciclo de absorção. O vapor desta vez à baixa pressão é absorvido por uma solução líquida no absorvedor, fornecendo calor a atmosfera. A bomba hidráulica recebe a solução líquida de refrigerante mais absorvente à baixa pressão do absorvedor elevando sua pressão, bombeando para o gerador e reiniciando o ciclo.
Figura 8: Unidade básica de absorção Fonte: Adaptado de Stoecker e Jones (1985 p. 362)
Para melhorar a eficiência e a capacidade de refrigeração em ciclos de absorção são inseridos no sistema alguns componentes como trocadores de calor e também retificadores. Um exemplo é o representado na figura 9. No ciclo simples, a solução que deixa a bomba está a uma temperatura mais baixa que a solução que entra na válvula redutora de pressão. Adiciona-se então um trocador de calor entre as duas correntes, com a finalidade de aumentar a eficiência e a capacidade de refrigeração do ciclo aquecendo a temperatura pela solução vinda do gerador a alta temperatura e então a solução amônia-água segue ao gerador. A função do
retificador é de evitar que gotículas de água migrem para o condensador, fazendo com que água no estado de líquido saturado volta para o gerador.
Figura 9: Figura esquemática de um ciclo básico de refrigeração por absorção amônia-água Fonte: Adaptado de Stoecker e Jones (1985 p. 362)
2.4 GÁS NATURAL
Definido como uma fonte de energia não renovável, o gás natural é considerado menos agressivo ao meio ambiente quando comparado aos outros combustíveis derivados do petróleo. Ele é um hidrocarboneto gasoso originado da decomposição de matéria orgânica fossilizada ao longo de milhões de anos e pode ser encontrado no subsolo, em rochas porosas isoladas do meio ambiente por uma camada impermeável. A composição do gás natural no Paraná é apresentada na tabela 1.
Tabela 1: Composição e propriedades do gás natural no Paraná
Fonte: COMPAGAS (2006, p.3).
Até o século XIX, o gás natural era considerado um problema quando encontrado com o petróleo, pois exigia uma série de procedimentos de segurança que deixavam mais caro o processo, além de complicar as atividades de prospecção. Porém, a partir dos anos 80 nos Estados Unidos, ele passou a ser visto com bons olhos, e transformou-se na fonte de energia de origem fóssil a registrar maior crescimento no mundo. Segundo a ANEEL (2008), entre o período de 1973 e 2006, o gás natural manteve a terceira posição na matriz energética mundial (abaixo de carvão e derivados de petróleo) e saltou do quarto para o segundo lugar dentre as principais fontes produtoras da energia elétrica. No Brasil, essa evolução foi de 5650%, ao passar de 0,2 bilhões de m3 para 11,3 bilhões de m3, no mesmo período de tempo.
A busca por novas alternativas que possam substituir os combustíveis derivados do petróleo, bem como alternativas menos agressivas ao meio ambiente, tem feito com que haja esse crescimento no interesse pelo gás natural. Além dessas características, o gás natural é versátil, pois seu potencial energético pode ser utilizado tanto para gerar energia elétrica, como também combustível para motores de combustão interna no setor de transportes. O gás natural pode ser ainda utilizado na produção de chamas (substituindo o gás liquefeito do petróleo - GLP), podendo ainda gerar calor e vapor.
Segundo a Companhia Paranaense de Gás (COMPAGAS, 2013), o gás natural é dividido em dois segmentos, comercial e industrial, definidos como:
Componente % Volume Metano 89,11 Etano 5,87 Propano 1,86 Butano e + pesados 1,06 Nitrogênio 0,91 Dióxido de carbono 1,17 Propriedades típicas Densidade relativa do ar 0,6340
Poder calorífico superior (kcal/m³) 9550
Gás natural comercial: utilizado em panificadoras, hotéis, hospitais, lavanderias, onde a primeira preocupação é a economia causada com o uso do gás natural;
Gás natural industrial: células a combustível que combinam o oxigênio do ar para gerar eletricidade e também em sistemas de cogeração, utilizando tanto a energia térmica gerada, quanto a elétrica. Neste segmento, a preocupação vai além da economia financeira, sendo considerada ainda a preocupação ambiental e o melhor aproveitamento energético.
SANTOS et al (2002), afirma que o gás natural como fonte de energia nos mercados residencial e comercial se compara a energia elétrica no que tange a facilidade de operação, abrindo assim um universo completamente novo para a utilização direta da energia térmica. Devido a sua queima completa, apresenta-se praticamente isento de produtos contaminantes, tais como óxido de enxofre, partículas sólidas e outros produtos tóxicos. Na combustão, a queima de gás natural é praticamente isenta de monóxido de carbono, diferente do que acontece normalmente na oxidação de outros combustíveis de origem fóssil.
Outra vantagem do gás natural está em viabilizar a geração distribuída, tendo em vista que as plantas de geração elétrica que utilizam microturbinas a gás são mais compactas. Esse fator traz benefícios à implantação em regiões onde a disponibilidade de terreno é difícil, como nas áreas metropolitanas e centros urbanos. Esses locais não só impõem dificuldades ambientais, mas também empecilhos referentes à localização de terrenos adequados e disponíveis para instalação. Desta forma, devido ao caráter compacto da planta, torna-se viável a sua implantação num supermercado ou num shopping integrado à área urbana de uma grande metrópole.
3 MODELAGEM TERMODINÂMICA
A modelagem termodinâmica da planta de cogeração baseia-se nas equações da conservação da massa e da energia para volume de controle em regime permanente para Primeira Lei da Termodinâmica, com propriedades constantes. As variações de energia cinética e potencial são desconsideradas. As equações principais do modelo são listadas a seguir:
Conservação da massa total,
0 ent sai ent sai
m m (1)
Conservação da massa para o fluido refrigerante (NH3),
0 ent ent sai sai ent sai m x m x (2) Conservação da energia: 2 2 . . . ( ) ( ) 0 2 2 ent sai
v c v c ent ent sai sai
ent sai
V V
Q W h gz h gz (3)
A figura 10 apresenta os estados termodinâmicos que serão analisados na modelagem da planta de cogeração. Os estados 13, 14 e 15, referentes aos processos internos que acontecem no motor de combustão, são omitidos nesta figura, entretanto serão explicitados ao longo do texto.
Figura 10 : Diagrama esquemático do sistema de cogeração para a modelagem termodinâmica do sistema de refrigeração por absorção, trocador de calor e do motor de combustão interna.
No sistema o gás natural é queimado com ar no motor de combustão interna para a geração de energia elétrica; em seguida os gases de exaustão passam por um trocador de calor. O calor absorvido vai para o gerador do sistema de refrigeração por absorção; com esse calor ocorre a dessorção do vapor de amônia (refrigerante) da solução forte. O vapor de amônia segue ao retificador, utilizado para o desprendimento dos vapores de água ainda presentes no vapor de amônia, garantindo que a amônia pura escoe até o condensador. No condensador ocorre a condensação do vapor de amônia, seguindo ao evaporador e depois ao absorvedor. No absorvedor ocorre a absorção do refrigerante (amônia), proveniente do evaporador, pela solução fraca vinda do gerador, através de uma bomba a solução é levada ao gerador onde o ciclo recomeça.
A modelagem termodinâmica no decorrer do texto será realizada seguindo a sequência dos equipamentos que compõem a planta de cogeração: sistema de refrigeração por absorção, motor de combustão interna e trocador de calor intermediário.
3.1 MODELAGEM DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO DE AMÔNIA-ÁGUA
O sistema de refrigeração por absorção utiliza o par amônia-água como fluido de trabalho, sendo amônia o fluido refrigerante e água o fluido absorvente. Este sistema é subdividido em volumes de controle: absorvedor, gerador de vapor, retificador, condensador, evaporador, válvulas de expansão, bomba de circulação da solução e trocador de calor. O diagrama esquemático do sistema de refrigeração com seus subsistemas, com o caminho do fluido refrigerante e absorvente é representado na figura 11.
Figura 11: Sistema de refrigeração por absorção amônia-água.
As seguintes considerações, baseadas no trabalho de Herold et al (1996), são feitas para modelagem termodinâmica do sistema de refrigeração por absorção:
Na saída do condensador, a temperatura do refrigerante no estado de líquido saturado corresponde à temperatura de condensação da solução, expressa pela temperatura ambiente acrescida em 15 ºC;
A temperatura do fluido refrigerante na saída do evaporador (estado 12) é fixada como a temperatura de evaporação;
Os estados 8, 10, e 12 são considerados como estados de saturação; O valor corespondente a diferença entre a concentração de amônia na solução forte e na fraca é um valor fixo.
Visto que o ciclo de absorção trabalha com dois níveis de pressões, é importante determinar os estados termodinâmicos com baixas e altas pressões; os estados 1, 6, 11 e 12 são de baixas pressões e os estados 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 e 10 de alta pressão.
A modelagem é iniciada no absorvedor do sistema de refrigeração. É no absorvedor que ocorre a absorção do vapor de amônia vinda do evaporador, pela solução fraca em amônia vinda do gerador de vapor. As equações (1), (2) e (3)
apresentadas no tópico anterior são aplicadas ao volume de controle presente na figura 12, obtendo as equações (6), (7) e (8).
Figura 12: Volume de controle para o absorvedor Balanço de massa, 12 6 1 m m m (6) 12 12 6 6 1 1 m x m x m x (7) Balanço de energia, 12 12 6 6 1 1 0 Abs Q m h m h m h (8)
O gerador de vapor tem a função de dessorção do vapor de amônia da solução forte em amônia pela adição de calor que provem de uma fonte de calor externa. Neste caso o calor vindo dos gases de escape do motor de combustão interna. Através do volume de controle da figura 13 também são aplicadas as equações (1), (2) e (3), obtendo as equações (9), (10) e (11).
Balanço de massa, 8 3 4 7 m m m m (9) 8 8 3 3 4 4 7 7 m x m x m x m x (10) Balanço de energia, 8 8 3 3 4 4 7 7 0 Ger Q m h m h m h m h (11)
O retificador retira partículas de água que são carregadas pelo escoamento de vapor de amônia vindo do gerador de vapor, permitindo que apenas amônia chegue ao condensador. Vale ressaltar que este componente é uma particularidade dos sistemas de refrigeração por absorção que utilizam solução amônia-água. Com o volume de controle destacado na figura 14, obtém-se as equações (12), (13) e (14).
Figura 14: Volume de controle para o retificador Balanço de massa, 7 8 9 m m m (12) 7 7 8 8 9 9 m x m x m x (13) Balanço de energia, 7 7 8 8 9 9 0 Ret Q m h m h m h (14)
A função do condensador é condensar o vapor de amônia vindo do gerador de vapor após a passagem no retificador. Com o volume de controle da figura 15, obtém-se as equações (15) e (16).
Figura 15: Volume de controle para o condensador Balanço de massa, 9 10 m m (15) Balanço de energia, 9 9 10 10 0 Cond Q m h m h (16)
O evaporador tem a função de resfriar o fluido externo (água) pela remoção de calor. Neste processo ocorre a evaporação da amônia à baixa pressão. Com o volume de controle destacado na figura 16 e utilizando as equações (1) e (3), obtém-se,
Figura 16: Volume de controle para o evaporador Balanço de massa, 11 12 m m (17) Balanço de energia, 11 11 12 12 0 Evap Q m h m h (18)
As válvulas de expansão são os componentes responsáveis pela regulagem das pressões do sistema. Os volumes de controle analisados estão apresentados na figura 17. A seguir indicam-se as equações para a válvula de expansão da solução e de expansão do refrigerante.
Figura 17: Volume de controle para as válvulas de expansão da solução (a) e do refrigerante (b).
Analisando a válvula de expansão da solução: Balanço de massa,
5 6
m m (19)
Balanço de energia, considerando componente adiabático,
5 5 6 6
m h m h (20)
Agora a válvula de expansão do refrigerante: Balanço de massa,
10 11
m m (21)
Balanço de energia, considerando componente adiabático,
10 10 11 11
m h m h (22)
Para a bomba, o volume de controle é representado pela figura 18.
Figura 18: Volume de controle para a bomba Aplicando as equações (1) e (3), obtém-se,
Balanço de massa,
1 2
m m (23)
Balanço de energia para bomba considerada adiabática,
1 1 2 2 0
Bom
W m h m h (24)
No trocador de calor, numa corrente passa a solução pobre em amônia vindo do gerador de vapor (corrente quente) e a solução rica em amônia vinda do evaporador (corrente fria). Com o volume de controle da figura 19, realizando-se uma análise obtém-se as equações (25) a (30):
Figura 19: Volume de controle para o trocador de calor Balanço de massa,
2 3
4 5 m m (26) Balanço de concentração, 2 2 3 3 m x m x (27) 4 4 5 5 m x m x (28) Balanço de energia 2 2 4 4 3 3 5 5 0 m h m h m h m h (29) Eficiência energética, h 3 3 2 2 4 4 5 5 Troc m h m h m h m h (30)
Para o sistema de refrigeração por absorção, a eficiência da primeira lei da termodinâmica é dada pelo coeficiente de desempenho (COP), definido pela equação (31) como sendo a razão entre a energia útil obtida e a energia requerida pelo sistema. Energia útil Energia requerida Evap Ger Bom Q COP Q W (31)
3.2 MODELAGEM DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA
Para o sistema de geração de energia elétrica foi escolhido um motor de combustão interna que opera de acordo com o ciclo Otto ideal, este é composto por quatro processos internos:
13-14 processo de compressão isentrópica;
14-15 processo de adição de calor a volume constante; 15-16 processo de expansão isentrópica;
Os processos estão representados na figura 20 e o diagrama p x v, é ilustrado na figura 21.
Figura 20: Ciclo Otto ideal Fonte: Adaptado de Çengel (2007 p.401)
Figura 21: Diagrama do Ciclo Otto Fonte: Adaptado de Çengel (2007 p.401)
As condições do estado 13 são condições de ar atmosférico. Com os dados da temperatura e pressão no estado 13, e considerando a ocorrência de um processo adiabático e reversível (isentrópico) entre os estados 13 e 14, é possível determinar a temperatura e a pressão do estado 14 mediante as equações (32) e (33): ( 1) 14 13 k T r T (32)
14 13 k p r p (33)
Onde r é a razão de compressão e k a razão entre os calores específicos do fluido: n n 13 14 r (34) p v c k c (35)
O processo de combustão é simulado pela adição de calor a volume constante, representado pelo processo (14-15). A temperatura do estado 15 é determinada através de um balanço de energia aplicado no motor. Como o processo (14-15) ocorre a volume constante, o volume no estado 15 é igual ao volume no estado 14. Diante dos valores da temperatura e da pressão no estado 15, é possível determinar a temperatura e a pressão no estado 16 utilizando as equações (36) e (37): 15 15 14 14 p T p T (36) 16 16 13 13 p T p T (37)
A temperatura dos produtos da combustão é determinada mediante um balanço de energia aplicado no motor de combustão. Desprezando as variações de energia cinética e potencial, tem-se,
0 0
. . . . ( ) ( ) 0
v c v c f ent f sai
R P
Q W h h h h (38)
Para modelagem do motor de combustão interna, primeiramente fez-se a modelagem da combustão baseada na queima estequiométrica com excesso de ar, para o gás natural:
f 4 2 6 3 8 2 2 2 2 2 2 2 2 0,8882 0,0841 0,0055 0,0162 0,006 ( 3,76 ) ar CH C H C H N CO a O N bCO cH O dN eO (39)
onde: a, b, c, d e e são os coeficientes estequiométricos, encontrados através do balanço estequiométrico, para 10% de excesso de ar ( far). Utilizaram-se duas sub-rotinas externas do EES: JANAF e NASA; essas sub-sub-rotinas permitem que se determinem as entalpias dos componentes envolvidos na reação química da combustão.
De acordo com o diagrama de Sankey (GANESAN, 1996), representado na figura 22, foi assumido que o trabalho é 23% do PCI (Poder Calorífico Inferior) do combustível e o calor transferido por unidade de massa é 25 % do PCI do combustível.
Figura 22: Diagrama de Sankey Fonte: Adaptado de Ganesan (p.447, 1996)
Sendo assim, obtém-se as equações (40) e (41), (GANESAN, 1996):
0,25 mot Q PCI (40) 0,23 mot W PCI (41) Considerou-se o PCI do gás natural um valor constante e igual a 35169,1kJ/m3, este dado foi retirado da tabela 2 de composição e propriedades típicas do gás natural. Utilizou-se estes dados pois apresentam as propriedades do gás natural em âmbito Brasil e não ficam restritos apenas a determinadas regiões.
Tabela 2: Composição e propriedades típicas do gás natural no Brasil
Fonte: Santos (2005, p.46).
A massa molecular do gás natural foi determinada por:
4 4 2 6 2 6 3 8 3 8 2 2 2 2 ( ) 100 CH C H C H N CO gas CH M C H M C H M N M CO M M (42)
A combustão foi simulada utilizando-se a composição do combustível. Mediante um balanço estequiométrico, determinam-se os coeficientes da reação química da combustão com excesso de ar e a relação ar-combustível. A relação mássica ar-combustível é determinada com a equação (43):
ar comb M AC AC M (43) onde, ar comb n AC n (44)
A vazão mássica dos gases de exaustão é calculada mediante a massa de mistura ar-combustível introduzida no motor e supondo conversão total do combustível. Logo, pela conservação da massa, a vazão mássica dos gases de exaustão é igual à de mistura, podendo ser estimada com a expressão:
Componente % Volume Metano 88,82 Etano 8,41 Propano 0,55 Nitrogênio 1,62 Dióxido de carbono 0,60 Propriedades típicas Densidade relativa do ar 0,62
Poder calorífico superior (kJ/m³) 39355,9
p
h r
2 int
4
gases mist desl vol mist
d
m m L N Rot (45)
onde: dint é diâmetro interno do cilindro, Ldesl é deslocamento (curso) do pistão, N é o número de cilindros do motor, Rot é a rotação do motor, ηvol é o Rendimento volumétrico, valor encontrado na literatura, e ρmist é a massa específica da mistura que é calculada em função da razão ar-combustível conforme a equação (46),
r r r 1 1 mist ar comb AC AC (46)
Por fim, para o cálculo da eficiência do motor usou-se a equação (47):
h mot mot comb W Q (47) sendo, comb comb Q m PCI (48) onde, mist comb m m AC (49)
3.3 MODELAGEM DO TROCADOR DE CALOR INTERMEDIÁRIO
O trocador de calor intermediário, representado na figura 23, também foi analisado de acordo com as equações (1), (2) e (3), sendo obtidas as equações (50) a (53),
Figura 23: Volume de controle para o trocador de calor intermediário dos gases de exaustão Balanço de massa, 16 17 m m (50) 18 19 m m (51) Balanço de energia, 16 16 18 18 17 17 19 19 0 m h m h m h m h (52) Eficiência energética, 19 19 18 18 , 16 16 17 17 trocador gases m h m h m h m h h (53)
3.4 EFICIÊNCIA DA PLANTA DE COGERAÇÃO
A eficiência da planta de cogeração é expressa com a razão entre produtos úteis (potência do motor e a taxa de transferência de calor do evaporador) e o insumo necessário para a produção (calor da combustão), conforme a equação (54):
h mot evap
glob
comb
W Q
Q (54)
Todas as equações referentes aos volumes de controle descritos anteriormente foram introduzidos no software EES, para realização das simulações
do sistema de cogeração analisado. Os resultados são apresentados a seguir e o programa implementado no EES que foi utilizado para a simulação está disponível no apêndice A.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo são apresentados os resultados da simulação do sistema de cogeração utilizando gás natural como combustível. Primeiramente são apresentados os dados utilizados para a simulação. Em seguida, os resultados e discussão dos resultados são apresentados.
Além da modelagem de cada sistema e subsistema, foi preciso determinar os dados de entrada do processo, para que o número de equações da modelagem fosse igual ao número de incógnitas, possibilitando assim a solução do sistema. Esses dados encontram-se na tabela 2.
Tabela 3: Dados de entrada para as simulações
Segundo Santos (2005), um dado importante de entrada na simulação do sistema de cogeração é a potência do motor em função de sua rotação, pois é através desse dado que é possível determinar a capacidade térmica dos gases de exaustão durante a queima do combustível (gás natural), que por sua vez é capaz de determinar a capacidade do sistema de refrigeração. Este dado foi obtido da
Temperatura ambiente 25° C Pressão atmosférica 101,325 kPa
Combustível Gás Natural
Modelo do moto-gerador Leon Heimer (Santos, 2005) Diâmetro interno do cilindro do motor 140 mm
Curso do pistão do motor 157 mm Número de cilindros do motor 4
Rendimento volumétrico do motor 0,8 (Ganesan, 1996) Taxa de compressão do motor de combustão 8,5 (Ganesan, 1996) Temperatura de evaporação do sistema de
refrigeração
- 10° C Concentração do vapor de amônia utilizado na
refrigeração
0,99963 (Santos, 2005) Diferença de concentração entre solução fraca e
forte (largura do processo)
0,1 (Santos, 2005) Eficiência do trocador de solução do sistema de
refrigeração
